Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο Σχολή Αγρονόμων και Τοπογράφων Μηχανικών Τομέας Τοπογραφίας Εργαστήριο Φωτογραμμετρίας Η χρήση των UAV στη γεωμετρική τεκμηρίωση μνημείων - Εξοπλισμός, Λογισμικό, Προϊόντα Χαράλαμπος Ιωαννίδης, Καθηγητής ΕΜΠ Σχολή Αγρονόμων & Τοπογράφων Μηχανικών Διημερίδα: Μη επανδρωμένα Εναέρια Συστήματα (UAS) και Χαρτογράφηση Αθήνα, 25-26 Νοεμβρίου 2016
Γεωμετρική Τεκηρίωση & Καταγραφή Οι φωτογραμμετρικές τεχνικές αποτελούν παραδοσιακά τις βασικές μεθόδους, που χρησιμοποιούνται για την ακριβή καταγραφή των σύνθετων αντικειμένων πολιτιστικής κληρονομιάς, όλων των τύπων και μεγεθών μη καταστροφικές μέθοδοι χωρίς επαφή με το αντικείμενο κατάλληλες για περιπτώσεις ευπαθών ή/και απρόσιτων αντικειμένων Σε συνδυασμό με μεθόδους σαρώσεων laser (TLS) και Όρασης Υπολογιστών (Computer Vision) επιτυγχάνεται μείωση κόστους και χρόνου μέσω αυτοματοποιημένων διαδικασιών, με ποικιλία προϊόντων
Είδη UAV/UAS UAV πολλών στροφείων (πολυκόπτερα) Ιδανικά για αποτυπώσεις μεγάλων κλιμάκων και φωτογραμμετρικές εφαρμογές υψηλής ακρίβειας - αρκετά πολύπλοκα συστήματα UAV σταθερών πτερυγίων UAV ελικόπτερα Για αποτυπώσεις μεγαλύτερων περιοχών, μεγάλη διάρκεια μπαταρίας και μεγάλη εμβέλεια ανάγκη για χώρο απογείωσης προσγείωσης Πιο πολύπλοκα από άποψης χειρισμού, ικανά για ανύψωση μεγαλύτερου φορτίου. Χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με συσκευές Lidar
Μη επανδρωμένα συστήματα Laser σάρωσης (ULS) 10mm ακρίβεια 10-200 σαρώσεις/sec μέχρι 500.000 μετρήσεις/sec 330 o οπτικό πεδίο 350m ύψος πτήσης παράλληλες γραμμές πτήσης κανονικό μοτίβο σημείων 3.6kg βάρος Riegl VUX-1 laser scanner
Συλλογή δεδομένων με UAV για τεκμηρίωση μνημείων Λήψη δεδομένων-εικόνων σε δύσκολες περιπτώσεις Αποτυπώσεις μεγάλων εκτάσεων, ψηλών κτισμάτων ή δυσπρόσιτων περιοχών Δυναμικές ανασκαφές με απαίτηση ταχύτητας στην αποτύπωση Μνημεία προβληματικά από άποψη ασφάλειας Συνδυασμένη χρήση μη επανδρωμένων εναέριων μέσων/ συστημάτων (UAV/UAS) και οικονομικών φωτογραφικών μηχανών υψηλής ποιότητας αντικαθιστούν δύσχρηστα ή δαπανηρά συστήματα λήψης, όπως μπαλόνια, γερανοφόρα οχήματα, επανδρωμένα ελικόπτερα κ.α.
Μονο- & Δι-εικονικές μέθοδοι
Πολυ-εικονικές μέθοδοι (MVS) Απλές εικόνες (υψηλή ανάλυση) Εικόνες από βίντεο (χαμηλότερη ανάλυση) Φωτογραμμετρία Όραση Υπολογιστών Φωτογραμμετρία, Όραση Υπολογιστών Τρισδιάστατη μοντελοποίηση από εικόνες Εικόνες ενός αντικειμένου ή σκηνής από διαφορετικές οπτικές γωνίες με στόχο τη δημιουργία ενός νέφους σημείων στο 3D χώρο
Πολυ-εικονικές μέθοδοι (MVS) Μοντελοποίηση από εικόνες (IBM) Ανακατασκευή αντικειμένων από μη οργανωμένες συλλογές εικόνων, που μπορεί να έχουν ληφθεί: - από διαφορετικές φωτομηχανές, - με διαφορετικές οπτικές γωνίες, - από διαφορετικές αποστάσεις και - με διαφορετικές συνθήκες φωτισμού
3D μοντελοποίηση με χρήση εικόνων Τεχνική Structure from Motion (SfM) Πυκνή συνταύτιση σημείων (Dense image matching) Δημιουργία 3D επιφάνειας (mesh) Απόδοση υφής
Τεχνική Structure from Motion (SfM) Δεδομένα εισόδου Εικόνες γνωστού ή άγνωστου εσωτερικού προσανατολισμού Προαιρετικά: Φωτοσταθερά σημεία, δεδομένα GPS/INS Αποτελέσματα Θέση και προσανατολισμός όλων των εικόνων κατά τη στιγμή της λήψης εξωτερικός προσανατολισμός Αραιό 3D νέφος σημείων σημεία σύνδεσης/χαρακτηριστικά σημεία μεταξύ των εικόνων Εσωτερικός προσανατολισμός της φωτομηχανής (σε περίπτωση μη βαθμονομημένων μηχανών)
Τεχνική Structure from Motion (SfM) Παράδειγμα αποτελεσμάτων της τεχνικής SfM Αραιό νέφος σημείων και προσανατολισμένες εικόνες 9113 σημεία, 350 εικόνες (επίγειες + UAV)
Τεχνική Structure from Motion (SfM) Παράδειγμα αποτελεσμάτων της τεχνικής SfM Αραιό νέφος σημείων και προσανατολισμένες εικόνες 10761 σημεία, 81 εναέριες πλάγιες και κατακόρυφες εικόνες
SfM: Ανίχνευση χαρακτηριστικών σημείων Αυτόματη ανίχνευση και περιγραφή χαρακτηριστικών σημείων σε κάθε εικόνα έτσι ώστε να είναι αμετάβλητα σε: μετασχηματισμούς κλίμακας μετασχηματισμούς στροφής Πληθώρα αλγορίθμων, π.χ. SIFT, SURF μεταβολές φωτισμού μεταβολές αντίθεσης Παράδειγμα ανίχνευσης χαρακτηριστικών σημείων σε εικόνα με χρήση του αλγορίθμου SURF
SfM: Συνταύτιση σημείων Αυτόματη εύρεση των ομόλογων σημείων ενδιαφέροντος μεταξύ όλων των πιθανών ζευγών εικόνων Κριτήριο συνταύτισης: απόσταση των διανυσμάτων περιγραφικών χαρακτηριστικών των σημείων ενδιαφέροντος Τεχνικές για την απόρριψη των λανθασμένων ομολογιών (π.χ. κατωφλίωση της απόστασης των περιγραφέων, διασταυρωμένος έλεγχος, κ.ά.) Γεωμετρική επαλήθευση των ομολογιών μέσω του αλγορίθμου RANSAC, υπολογίζοντας τη γεωμετρική σχέση που συνδέει τις δύο εικόνες
SfM: Συνταύτιση σημείων ενδιαφέροντος Ομολογίες πριν την εφαρμογή του RANSAC Ομολογίες μετά την εφαρμογή του RANSAC
SfM: 3D ανακατασκευή (incremental reconstruction) Συνήθης αλγόριθμος ανακατασκευής: εισάγει μία νέα εικόνα κάθε φορά στη διαδικασία ανακατασκευής Ενδεικτική μεθοδολογία Incremental reconstruction 1 ο βήμα: Επιλογή ενός αρχικού ζεύγους εικόνων (π.χ. με μεγάλο αριθμό ομολογιών) 2 ο βήμα: Υπολογισμός των προβολικών πινάκων των 2 φωτομηχανών χρησιμοποιώντας τις ομολογίες σημείων [ ] [ ] P = K I 0 1 1 P K R T = 2 2 3 ο βήμα: Τριγωνισμός (υπολογισμός των 3D συντεταγμένων των ομόλογων σημείων)
SfM: 3D ανακατασκευή (incremental reconstruction) 4 ο βήμα: Επιλογή μίας επόμενης εικόνας (π.χ. με μεγάλο αριθμό χαρακτηριστικών σημείων, των οποίων οι 3D συντεταγμένες έχουν υπολογιστεί) 5 ο βήμα: Υπολογισμός του προβολικού πίνακα της μηχανής της νέας εικόνας χρησιμοποιώντας τις 3D συντεταγμένες των σημείων που έχουν υπολογιστεί (DLT) 6 ο βήμα: Τριγωνισμός (υπολογισμός των 3D συντεταγμένων των ομόλογων σημείων των οποίων οι 3D συντεταγμένες δεν έχουν προσδιοριστεί) 7 ο βήμα: Συνόρθωση δέσμης, απόρριψη σημείων με μεγάλο σφάλμα επαναπροβολής (συνήθως το βήμα αυτό εκτελείται ανά καθορισμένο αριθμό εικόνων που προστίθενται και όχι για κάθε νέα εικόνα) 8 ο βήμα: Επανάληψη των βημάτων 1-7 μέχρι να προστεθούν όλες οι εικόνες 9 ο βήμα: Συνόρθωση δέσμης
SfM: Μετρητική 3D ανακατασκευή Σε περίπτωση γνωστού εσωτερικού προσανατολισμού μετρητική 3D ανακατασκευή Σε περίπτωση άγνωστου εσωτερικού προσανατολισμού προβολική 3D ανακατασκευή αυτοβαθμονόμηση μετρητική 3D ανακατασκευή Η ανακατασκευή διαφέρει, από το σύστημα στο οποίο αναφέρονται τα φωτοσταθερά, κατά ένα 3D μετασχηματισμό ομοιότητας 7 παράμετροι μετασχηματισμού: 3 μεταθέσεις, 3 στροφές, 1 κλίμακα Σκόπευση τουλάχιστον 3 φωτοσταθερών για την άρση του μετασχηματισμού ομοιότητας
Πυκνή συνταύτιση σημείων Αυτόματη διαδικασία συνταύτισης εικόνων, η οποία εντοπίζει ομολογίες για όλα τα σημεία (pixels) της εικόνας και όχι µόνο για διακριτά σημεία ενδιαφέροντος/χαρακτηριστικά σημεία Στοιχεία εισόδου Εικόνες Εσωτερικός και εξωτερικός προσανατολισμός εικόνων Αποτελέσματα Χάρτης ψηφιακής παράλλαξης Πυκνό νέφος σημείων απεικόνιση της αριστερής (συνήθως) εικόνας του ζεύγους όπου σε κάθε εικονοψηφίδα έχει αποδοθεί η τιμή της ψηφιακής παράλλαξης Εύρεση ομολογιών Χάρτης ψηφιακής παράλλαξης Πυκνό νέφος σημείων
Πυκνή συνταύτιση σημείων x, x : ομολογίες σημείων μεταξύ της εικόνας 1 και της εικόνας 2 Σημεία λήψης (εσωτερικός + εξωτερικός προσανατολισμός) 3D σημείο
Πυκνή συνταύτιση σημείων multi-view stereo algorithms πολλές εικόνες stereo algorithms 2 εικόνες
Πυκνή συνταύτιση σημείων Παραδείγματα πυκνών νεφών σημείων
Δημιουργία 3D επιφάνειας με υφή 1 2 3 Επεξεργασία του πυκνού νέφους σημείων (σβήσιμο λανθασμένων σημείων, φιλτράρισμα του νέφους σημείων, αραίωση του νέφους κ.λπ.) Αυτόματη δημιουργία 3D επιφάνειας (mesh) από το πυκνό νέφος σημείων Επεξεργασία της 3D επιφάνειας (π.χ. κλείσιμο τρυπών) 4 Απόδοση υφής
Λογισμικά για μοντελοποίηση από εικόνες Εμπορικά: Photomodeler Pix4D Agisoft Photoscan Smart3DCapture (Acute3D) BENTLEY Context Capture iwitness 3DZ Zephyr Ανοικτού κώδικα SURE VSfM PMVS Bundler MicMac MeshLab FIT3D Matlab Toolbox Υπηρεσίες μέσω διαδικτύου: 123D Catch MS Photosynth Cubify ARC 3D Προγραμματισμός και διαχείριση πτήσης
Εφαρμογή 1: Αρχαίο Θέατρο Θέσεις λήψης & Προσανατολισμός εικόνων Λήψη 493 εικόνων από UAV (οκτώ πτερυγίων), DSLR Nikon D610 Έκταση περιοχής 5 στρ., ύψος πτήσης 12-26μ.
Αρχαίο Θέατρο 3D απόψεις τμημάτων του τρισδιάστατου μοντέλου
Αρχαίο Θέατρο 3D άποψη τμήματος του μοντέλου
Αρχαίο Θέατρο Τομές του μοντέλου με υφή
Εφαρμογή 2: Πέτρινη Γέφυρα Λήψη δεδομένων από σαρωτή laser Leica ScanStation 2, τύπου ToF
Μη επανδρωμένο εναέριο όχημα (UAV) Διαστάσεις πλαισίου 450mm (διαγώνιος) Στροφεία(Motors) Electronic Speed Control (ESC) Flight Control Board (4)x 1200kv 3S, 30A Hobbyking KK2.1.5 Ραδιο-πομπός, δέκτης 2.4G FS-T4B 4CH Radio Έλικες 9.5 x 4.5 Εμβέλεια >300m Μπαταρία Lipo 3S, 11.1v, 5800mA Βάρος(χωρίς μπαταρία) 400gr Κόστος 300
Φωτογραφικός Εξοπλισμός Μοντέλο Διαθέσιμη ανάλυση εικόνας Διαθέσιμη ανάλυση βίντεο Τύπος αισθητήρα Μέγεθος αισθητήρα Μέγεθος εικονοστοιχείου Κλείστρο Time lapse βίντεο Διαστάσεις & Βάρος Mobius ActionCam 2304 1536,1920 1080,1280 720, 848 480 (1080p/30fps FULL HD, 720p/30-60fps HD & WVGA) CMOS 1/3 inch, (5.07*3.38mm) 2.2μm*2.2 μm Τύπου Rolling shutter (0.25s, 0.5s, 1s, 2s, 5s, 10s, 30s, με προγραμματισμό) 61mm x 35mm x18mm, 38gr Κόστος 100 Μοντέλο Μέγιστη ανάλυση εικόνας Διαθέσιμη ανάλυση βίντεο Τύπος αισθητήρα Μέγεθος αισθητήρα Μέγεθος εικονοστοιχείου Κλείστρο Συνδεσιμότητα Διαστάσεις & Βάρος GoPro Hero 4 Black 12.0 MP 4000 3000 (4k/30fps-3840 x 2160, 1080p/30-60fps Full HD & WVGA) CMOS 1/2.3 inch, (5.2*4.65 mm) 1.55μm*1.55 μm Τύπου Rolling shutter Wifi + bluetooth 59mm x 41mm x21/30mm, 89gr Κόστος 500
Εφαρμογή Πολυ-εικονικής Μεθόδου Σύνταξη 3D μοντέλου με χρήση: GoPro + Photoscan Συνολικά 1041 εικόνες Σετ 1 Σετ 2 Σετ 3 Σετ 4 (εσωτερικό) Αριθμός Εικόνων Σύνολο Δεδομένων 1 Σύνολο Δεδομένων 2 Σύνολο Δεδομένων 3 Σύνολο Δεδομένων 4 (εσωτερικό) 306 310 425 256
Εφαρμογή Πολυ-εικονικής Μεθόδου GoPro + Photoscan Τρισδιάστατα μοντέλα πριν (πάνω) και μετά την επεξεργασία (κάτω)
2D Προϊόντα Ανατολική όψη Κάτοψη
2D Προϊόντα Λεπτομέρεια ορθοφωτογραφίας Δυτικής όψης
Εφαρμογή Πολυ-εικονικής Μεθόδου Σύνταξη 3D μοντέλου δυτικής όψης με χρήση: Mobius + Photoscan Συνολικά 319 εικόνες
Συγκρίσεις νεφών σημείων Νέφος αναφοράς από σάρωση με Laser Scanner GoPro Photoscan Mobius
Ακρίβειες νεφών σημείων GoPro + PhotoScan Οριζοντιογραφικό σφάλμα (cm) Υψομετρικό σφάλμα (cm) Συνολικό σφάλμα σε pixel Φωτοσταθερά (43) 0.6 0.4 1.95 Σημεία Ελέγχου (37) 0.6 0.4 1.73 Φωτοσταθερά (7) 0.8 0.3 1.70 Σημεία Ελέγχου (73) 0.7 0.4 1.86 Mobius + PhotoScan Οριζοντιογραφικό σφάλμα (cm) Υψομετρικό σφάλμα (cm) Συνολικό σφάλμα σε pixel Φωτοσταθερά (10) 0.7 0.4 2.0 Σημεία Ελέγχου (11) 1.1 0.5 1.86
Εφαρμογή Πολυ-εικονικής Μεθόδου 3D μοντέλο δυτικής όψης με: GoPro + Ελεύθερα λογισμικά MicMac VisualSfM+CMP-MVS
Συγκρίσεις νεφών σημείων Νέφος αναφοράς από σάρωση με Laser Scanner GoPro + MicMac GoPro Photoscan MicMac VisualSfM+C MPMVS μ 2.0 cm 1.5 cm 1.5 cm σ 1.8 cm 1.3 cm 1.0 cm
Εφαρμογή 3: Μεταβυζαντινός Ναός 17 ου αι. Αρχικές φωτογραφίες
Μεταβυζαντινός Ναός Απόψεις 3D μοντέλου
Μεταβυζαντινός Ναός
Μεταβυζαντινός Ναός Λεπτομέρεια ορθοφωτογραφίας ΝΑ όψης
Αξιολόγηση UAV & Πολύ-εικονικών Τεχνικών για την τεκμηρίωση μνημείων Χρήση εξοπλισμού χαμηλού κόστους (UAV, φωτομηχανή) Δεν απαιτείται βαρύς και δυσμετακίνητος εξοπλισμός: δυνατότητα μεταφοράς του με UAV Υψηλή αυτοματοποίηση στην επεξεργασία των εικόνων και την παραγωγή του νέφους σημείων Εφαρμογή από χρήστες που δεν έχουν εξειδικευμένες γνώσεις, π.χ. αρχαιολόγους ή μηχανικούς διαφόρων ειδικοτήτων Χρήση ελεύθερου λογισμικού ή εμπορικού χαμηλού κόστους Ποιοτική οπτικοποίηση και εικονικές 3D αναπαραστάσεις Παραγωγή συμβατικών 2D προϊόντων (κατόψεις, όψεις, τομές)
Αξιολόγηση UAV & Πολύ-εικονικών Τεχνικών Παράγοντες που επιδρούν στην ποιότητα τελικών προϊόντων: Υποκειμενικοί: θέση και τρόπος λήψης των εικόνων αποφάσεις που λαμβάνονται κατά τη διάρκεια της επεξεργασίας πολυπλοκότητα του αντικειμένου Αντικειμενικοί: ανάλυση και ποιότητα αρχικών εικόνων λογισμικό μέσα λήψης των εικόνων Αυστηρή τήρηση ροής εργασιών
Αξιολόγηση UAV & Πολύ-εικονικών Τεχνικών Δημιουργία μετρητικού λεπτομερούς 3D μοντέλου Απαίτηση για: - ευκρινείς και υψηλής ποιότητας φωτογραφίες, πολλαπλή κάλυψη του αντικειμένου, εικόνες από διαφορετική θέση με μεγάλες μεταξύ τους επικαλύψεις (>80%), αποφυγή πολύ μικρών γωνιών λήψης ως προς το αντικείμενο - τουλάχιστον τρία φωτοσταθερά σημεία στο έδαφος. Εκτεταμένο Μνημείο διατήρηση συνθηκών φωτισμού (ραδιομετρίας) αποφυγή άτακτων/άναρχων λήψεων, προσεκτική επιλογή των εικόνων (κίνδυνος ραγδαίας αύξησης υπολογιστικής ισχύος)
Παραγόμενα Προϊόντα Δυνατότητα παραγωγής ποικίλων τελικών προϊόντων: Δισδιάστατα σχέδια και ορθοεικόνες 3D συντεταγμένες / Παρακολούθηση παραμορφώσεων 3D μοντέλα / 3D μοντέλα με υφή Ακριβή αποτελέσματα Λεπτομερή 3D μοντέλα & 2D σχέδια Γρήγορες / σχεδόν real time διαδικασίες Ακριβός ή χαμηλού κόστους εξοπλισμός Εμπορικό ή ανοικτού κώδικα λογισμικό